温度对奥氏体不锈钢材料电磁超声检测的影响研究

刘会彬，郑　阳，王锋淮，李素军，郑　晖

(1. 浙江省特种设备检验研究院，浙江 杭州 310020； 2. 中国特种设备检测研究院，北京 100029)

奥氏体不锈钢材料被广泛应用于石油、化工、天然气、电力等行业. 高温环境下，奥氏体不锈钢材料易出现疲劳、蠕变、热老化等，最终会形成宏观缺陷并导致结构失效. 如果未被及时发现将会造成重大经济损失. 高温运行设备检测时需要在线检测，当被检材料处于高温状态时，超声波的传播速度和声波幅值都将受到显著影响，导致超声波检测困难. 此外，高温环境下的超声检测对探头和耦合剂都提出了新的要求. 例如，常规压电换能器中的压电晶片特性在高温下会显著下降，因而难以用于高温、高速、粗糙表面的检测. 电磁超声(EMAT)技术通过电磁声耦合效应实现换能、激励和接收超声波，具有非接触、无需耦合及对被检试件表面要求不高的特点. 因此，电磁超声被广泛应用于高温检测. 然而，在电磁超声高温检测应用中，温度不仅影响超声波在材料中的波速和衰减，也会改变材料的电性能和磁性能，从而影响检测信号，故高温下的检测需要一定的标定和补偿，研究温度对EMAT检测信号的影响对EMAT高温检测技术具有重要的意义.

在过去的40年里，电磁超声传感器已被广泛研究. Qin Yexian等研制了微型电磁超声传感器，并且对不同厚度的铝板测试和检测冲击声波[1]. 近年来，随着工业化步伐的加快，常温状态检测技术已远远不能满足工业发展的需求，许多学者致力于高温传感器的研究. Francisco H利用无需主动冷却基于脉冲磁铁的EMATs[2]在表面温度高达250 ℃的低碳钢上检测，已被成功应用于600 ℃高温下工件检测[3]. Urayama R等[4]利用EMAT/EC双探头，并将其应用于300 ℃时管壁的监测. 电磁超声高温应用已在两个方向发展，一种是循环水或油力传感器[5-7]，另一种是使用高熔点材料，如钼或铂金线圈并使用高居里点材料电磁铁铁芯[1]. Lee S等[5]研究了电磁超声在高温中的应用，并制作了一个通过水循环冷却可以承受800 ℃高温的电磁超声探头. Burrows S[8]对不锈钢和低碳钢材料钢管电磁超声高温管壁测厚做了细致研究，分别用激光水冷式电磁超声、径向极化横波电磁超声这两种技术在高温下对管壁厚度进行了测量，相比较而言，激光电磁超声系统适用于更高温度壁厚测量. Maria K[9]等将EMATs激发的SH0模态应用于太阳能高温(400～550 ℃)管线的检测，并开发了一个水冷却式EMAT传感器[10]，可以激发和接收SH0模态用于高温导波检测. Lunn N[11]等记录了加热铝板时信号振幅的非线性变化，测定了磁铁矿涂层钢板信噪比随温度的变化. Gerd D[12]在环境温度到 300 ℃ 的温度区间内应用电磁超声检测技术对奥氏体不锈钢实现了疲劳监测. Natasha L[13]等设计了一个高温剪切横波EMAT，可以实现磁铁矿涂层钢在450 ℃温度下不需冷却的厚度测量. 上述研究工作为推动电磁超声高温检测应用奠定了坚实的基础，为了更深入研究高温对电磁超声检测信号的影响，揭示高温下不同材料的电磁超声检测机理，本文研究了温度变化对304 奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti)、316奥氏体不锈钢(0Cr17Ni12Mo2)、TP347H(1Crl9Nil1Nb)和铝这四种板材电磁超声的速度和回波幅值的影响. 研究结果不仅可以应用于科学研究如材料微观结构变化对温度的依赖关系，还可以应用于工程上如质量控制或高温缺陷检测.

1　实验研究

试验对象： 316不锈钢、304不锈钢、TP347H和铝四种材料，规格均为200×200×10 mm3的板材.

图 1　电磁超声高温检测实验系统Fig.1　Electromagnetic ultrasonic high temperature inspection experimental system

试验系统如图 1 所示，由计算机、电磁超声主机(Temate PowerBox 2)、信号调理器(含自激自收双工器、前置放大器、传感器阻抗匹配)、高温电磁超声传感器、被检试样、加热炉和热电偶与温度测量仪组成. 计算机运行检测软件用于控制信号的激励、接收，实验采用中心频率为3 MHz，3个周期的正弦波信号作为激励信号. 电磁超声主机与信号调理器相连输出大功率激励信号，并通过信号调理器输入高温电磁超声传感器，在试样中产生直入射横波，并接收底面回波. 高温电磁超声传感器所含线圈为双层环形线圈，内径6.25 mm，外径18.25 mm，绕线11圈. 实验中将工件置于加热炉上，通过置于试件表面的热电偶显示试件的温度.

试验步骤： 将试样放置在电炉上加热，在试样上表面中心放置热电偶监测试样温度，再盖上一层隔热保温材料，以减少试样热量的散失并加速其温度的上升. 试样表面温度升到600 ℃后关闭电炉，将试样取下放在隔热保温层上，热电偶夹在两者中间监控试样温度，由于取出过程中热量快速散失，导致试样的温度快速降低，降到500 ℃之前将探头放置在试样上检测，待降到500 ℃时记录检测信号，固定探头测试点位置，每隔5 ℃记录一次，直到40 ℃，最后待降到室温26 ℃时再记录一次. 为了减少测量误差，上述试验过程每个试样重复5次.

实验信号的提取及处理过程：

1) 实验信号的提取： 将实验数据输出文件直接导入MATLAB，提取每个温度下的时域信号.

2) 实验信号处理过程按以下几个步骤进行.

步骤 1： 分别提取室温下四种实验材料的信号，截取前三次底面回波的信号，绘制室温下不同试样的超声信号波形，用于对比说明不同材料下信号的差异.

步骤 2： 以上四种材料的信号以TP347H 为最佳，故分别提取TP347H在 15, 105, 205, 305, 405和495 ℃六个温度点下三个周期的信号，用于说明温度对波形的影响.

步骤 3： 对重复实验信号取其包络，通过底面一次回波与底面二次回波包络峰值的时间差求得超声波波速，超声波波速最大值与最小值用于确定误差线，最后对每个温度下的超声波波速求得平均波速及误差线.

步骤 4： 按照类似方法，对上述每个温度下包络信号的底面一次回波包络峰值求得底面一次回波峰值的平均值及误差线.

一组典型信号的信号求解包络过程如图 2 所示. 图2(a)为电磁超声传感器接收的原始信号； 图2(b)为原始信号求解包络线后的信号波形图，图中表示的是底面一次回波及二次回波包络线峰值对应的时间差，代表的是底面一次回波的包络线幅值最大值.

图 2　典型信号求解包络过程Fig.2　Typical signal solution process for enveloping

2　实验结果与分析

2.1　信号波形图

室温下在TP347H、Al、304，316四种材料上测得的超声波回波波形如图 3 所示. 从波形可以看出，四种试样的信号幅值及各次回波到达时间均有差异. 材料的弹性常数、电导率模量和密度等物理参量的不同引起了回波幅值和声波波速的变化.

TP347H材料随温度变化的超声波回波图形如图 4 所示. 可见，温度对信号影响显著，升高温度在提升信号幅值的同时，延迟了各次回波的到达时间.

图 3　厚度为10 mm的304, 316, Al, TP347H工件在室温下的超声波回波信号Fig.3　The ultrasonic echo signal at room temperature of 304, 316, Al, TP347H with a thickness of 10 mm

图 4　温度对TP347H材料上超声波回波的影响Fig.4　The effect of temperature on ultrasonic echo of TP347H material

2.2　温度对超声波波速的影响

图 5　温度与横波波速关系图Fig.5　Relation diagram of temperature and transverse wave velocity

图 5 为横波波速随温度变化的曲线图. 使用式(1)[15]对厚度进行热膨胀校正，其中d是试件在T时的厚度，d0是试件在T0=25 ℃时的厚度，α(T)为试件在温度T时的热膨胀系数. 通过底面一次回波与底面二次回波最大信号幅值对应的时间计算得到一次回波与二次回波的传输时间差. 横波速度由式(2)计算得到. 图中圆点表示各个温度下波速的误差线平均值，曲线由误差线平均值根据表1中的拟合函数拟合而成. 304, 316, Al的波速随着温度升高呈单调衰减的趋势，而TP347H波速呈现先减小后增大的趋势，在380 ℃左右波速达到最小值. 速度的降低主要是由于弹性常数随温度的升高而变化. 如果不考虑检测期间出现的误差，速度随温度变化对于厚度测量校准是一个重要的考虑因素.

d=d0[1+α(T)(T-T0)],

(1)

(2)

表 1 列出了四种试样的波速与温度的曲线拟合模型、曲线拟合方程及拟合误差. Exp3P2指数和Exp2指数分别满足式(3)及式(4)的规律.

y=exp(a+bx+cx2),

(3)

y=Aexp(ax)+Bexp(bx).

(4)

除了TP347H按照Exp2指数变化，其它三种试样均按照Exp3P2指数变化.

表 1　波速-温度拟合曲线

2.3　温度对超声波幅值的影响

图 6　四种试样的一次回波幅值随温度变化曲线Fig.6　The variation curve of the amplitude of first echo with temperature of four samples

图 6 为四种试样的底面一次回波包络的幅值峰值随温度变化的曲线图. 图中圆点表示对应温度下幅值的误差线平均值，图中曲线由误差线平均值根据表 2 中的拟合函数拟合. TP347H的幅值曲线按指数拟合函数递增，304及316奥氏体不锈钢的幅值随温度升高而递减，Al的幅值呈现先减小后增大的趋势，曲线在300 ℃左右出现最小值.

表 2 列出了四种试样温度与一次回波包络幅值峰值的曲线拟合模型、曲线拟合方程及拟合误差. Exponential, ExpDec1指数和BiDoseResp分别满足式(5)～式(7)规律.

y=y0+AeR0x,

(7)

(8)

y=A1+(A2-A1)·

(9)

304按Exponential 指数变化，316按ExpDec1 指数变化，两者变化基本一致. Al的一次回波幅值随温度按Exp3P2指数变化，TP347H按BiDoseResp幂函数变化. Al的一次回波幅值-温度变化曲线先下降后上升，而TP347H呈递增趋势.

304, 316, TP347H, AL超声信号回波幅值出现这种非线性变化可以归因于产生超声波的主导作用机制，主要包括洛伦兹机制和磁致伸缩机制. 对于磁致伸缩机制，磁致伸缩应变系数[16]和超声信号回波幅值与作用的磁场呈非线性变化关系. 同时，作用磁场的变化是基于EMAT磁体场强随温度的增加而减小，因此，随着温度的改变，超声信号回波幅值呈现非线性变化. 并且有研究[17]表明超声信号振幅随EMAT静态磁场呈非线性变化. 目前，尚未有文献报道磁致伸缩作为主要的作用机制，这很可能是由于这些材料上的磁致伸缩机制的复杂非线性性质和因变量的数量.

表 2　幅值-温度拟合曲线

由于洛伦兹力是EMAT作用在铝试件上唯一的产生和接收机制，所以高温信号振幅的损失在一定比例上是因为洛伦兹力的降低及超声衰减的增强. 在脉冲回波模式下，洛伦兹力与磁场的平方成正比，磁场大小由线圈驱动电流处的静态磁场决定. 因此，洛伦兹力很可能随着高温下EMAT磁场强度的降低而降低. 因此，它可以估计信号幅值的非线性变化.

3　结　论

本实验研究了温度变化对奥氏体不锈钢材料上电磁超声横波检测信号的影响，选取了316(0Cr17Ni12Mo2)、304(1Cr18Ni9Ti)、TP347H(1Crl9Nil1Nb)三种典型奥氏体不锈钢材料及铝材作为实验材料，得到以下主要结论： ① 室温下四种试样的信号幅值及各次回波到达时间均有差异. 此外，对于TP347H，升高温度在提升信号幅值的同时延迟了各次回波的到达时间； ② 304和316奥氏体不锈钢的波速随着温度单调递减，Al 大体上也符合这种趋势. TP347H上信号波速随着温度的升高呈现先递减后递增的趋势； ③ 304和316奥氏体不锈钢的信号幅值随着温度单调递减. Al先递减后递增，TP347H随着温度的升高信号回波幅值呈递增趋势. 本文对奥氏体不锈钢材料电磁超声高温在线缺陷检测和开发电磁超声高温波速校准模块具有一定的指导意义.